軸肥大加工方法
【課題】 軸材への加熱を伴う軸肥大加工方法において、軸材からの保持部への放熱冷却を伴うような高温条件下での軸肥大変形挙動及び変形機構を明らかにして、最適な軸材への加熱を伴う軸肥大加工方法を提供する。
【解決手段】 ワークを加熱することにより流動する軸肥大加工条件である圧縮応力とワークの温度及び軸肥大加工回転回数の最適条件を、σｃ／σｙ（σｃ：圧縮応力、σｙ：ワークの各温度における降伏応力）の値を任意に定めると共に、ワークに作用させたい圧縮応力又は軸肥大加工開始時のワークの温度を定めることで、ワークの温度に対する最適な圧縮応力又は圧縮応力に対する最適なワークの温度の条件を得ると共に、軸肥大加工回転回数Ｎの最適な条件を算出し、更に、ワークの初期掴み幅ｌ０を算出し、少なくともそれらの最適な軸肥大加工条件をもって軸肥大加工をワークに施すようにする。
【解決手段】 ワークを加熱することにより流動する軸肥大加工条件である圧縮応力とワークの温度及び軸肥大加工回転回数の最適条件を、σｃ／σｙ（σｃ：圧縮応力、σｙ：ワークの各温度における降伏応力）の値を任意に定めると共に、ワークに作用させたい圧縮応力又は軸肥大加工開始時のワークの温度を定めることで、ワークの温度に対する最適な圧縮応力又は圧縮応力に対する最適なワークの温度の条件を得ると共に、軸肥大加工回転回数Ｎの最適な条件を算出し、更に、ワークの初期掴み幅ｌ０を算出し、少なくともそれらの最適な軸肥大加工条件をもって軸肥大加工をワークに施すようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直線状の軸材の中間部に素材径よりも大径となる肥大部を一体的に成形する軸肥大加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、軸材の中間部に肥大部を設ける場合には、太い軸材に対する切削加工によるか、鍛造等の塑性加工による成形と切削加工による仕上げ等によるか、あるいは、軸材に別部品を溶接して接合する方法が採られていた。しかしながら、素材に切削加工を施す場合には、切削加工に手間がかかるだけでなく、材料的にも無駄が多くなるので不経済であり、さらに、長尺物の中間部に肥大部を削り出すことは難しいものであった。また、溶接にて素材に別部品を接合する方法では、溶接熱の影響を受けるといった問題点があった。
【０００３】
この問題点を解決するために、軸材の中間部に局部的に肥大部を成形する方法として、軸材に回転と圧縮圧力及び曲げを作用させる軸肥大加工方法がある。この技術によれば、軸材の中間部に簡単に肥大部を成形することができるので、従来のような切削加工あるいは溶接をする必要がなくなる。この従来の技術を詳しく説明すると、所定間隔に離間した一対の保持部で直線状の軸材を保持させる。そして、この軸材の軸心回りに回転を加え、その状態で、前記保持部の少なくとも一方を他方に接近する方向に移動させると共に、一対の保持部のいずれかを軸線と交差する方向へ徐々に偏倚させる。これにより、曲げの外側においても常に圧縮応力が作用する条件下で回転中の軸材に圧縮力と曲げ力を作用させて、両保持部間の軸材に直径方向の塑性変形を生じさせる。然る後、曲げの外側においても圧縮応力が作用する条件を保ったまま、前述した保持体の偏倚を徐々に復元させることにより、軸材の中間部に肥大部を成形するものである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
しかしながら、上記技術では軸材に曲げ及び回転を作用させる際には、圧縮圧力を加えると共に回転させ、曲げを行い所望の形状を得た後、曲げ戻しを行い圧縮と回転を停止するものであるため、軸材の素材が高強度鋼材や大型軸鋼材になると、高い圧縮圧力が必要となり、該軸肥大加工法を軸材に施す装置の大型化が不可欠となる。また、逆に低い圧縮圧力では所望の形状を得るまでの軸肥大加工回転回数が多くなるため時間がかかるといった問題点がある。さらには、成形する軸材の素材径の二倍未満の肥大部を得ることが限界であり、適用できる部品も限られたものとなっていた。
【０００５】
そこで、この問題点を解決するために、軸肥大加工を施す前又は加工を行っている最中に、軸材を加熱することによって軸材の変形抵抗を低下させ、容易に塑性変形できる状態とした軸材に軸肥大加工を施す加工方法が提案されている。これによると、僅かな圧縮圧力にて軸材に肥大部を成形可能となると共に、装置の大型化を回避することができる。また、軸材の塑性変形能を向上させることが可能となることから、従来以上に肥大部の直径を大きなものとすることができると共に、軸材の軸方向に幅広な肥大部を容易に成形できるようになる（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
しかしながら、軸材を加熱して軸肥大加工を施すにあたり、軸材への加熱と加熱した熱の保持部等への放熱によって、青熱脆性等の影響が生じて、軸材が硬化されて変形抵抗が大きくなり、所望の肥大部を得られない場合がある。さらに、軸材の塑性変形能が低下することで、軸肥大加工過程において軸材にき裂損傷が発生する等の不具合が生じる場合もある。
【特許文献１】特開昭６２−４５４４２号公報
【特許文献２】特開２００５−０８８０６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は上記事情に鑑み、軸材への加熱を伴う軸肥大加工方法において、軸材からの保持部への放熱冷却を伴うような高温条件下での軸肥大変形挙動及び変形機構を明らかにして、軸材への加熱を伴う最適な軸肥大加工方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、ワークを加熱することにより流動する軸肥大加工条件である圧縮応力とワークの温度及び軸肥大加工回転回数の最適条件を、σｃ／σｙ（σｃ：圧縮応力、σｙ：ワークの各温度における降伏応力）の値を任意に定めると共に、ワークに作用させたい圧縮応力又は軸肥大加工開始時のワークの温度を定めることで、ワークの温度に対する最適な圧縮応力又は圧縮応力に対する最適なワークの温度の条件を得ると共に、所望する肥大部の肥大部直径Ｄに達するまでの最適な軸肥大加工回転回数Ｎを、
【数１】
（ｌ：肥大部のワーク軸方向における幅，ｌ０：ワークの初期掴み幅，ε０：特定の肥大率に対する軸圧縮ひずみ，Ｎθ：設定曲げ角度に達するまでの回転数）の式に実測値を当てはめて得られるｎ（ｎ：ワーク材の材料定数）及びＮ０（Ｎ０：回転時定数）を、
【数２】
（Ｄ０：ワークの素材直径）の式に代入すると共に、前記肥大部直径Ｄを代入して、軸肥大加工回転回数Ｎの最適な条件を算出し、さらに、ワークの肥大成形させる部分での体積不変の原則から得られる
【数３】
の式からワークの初期掴み幅ｌ０を算出し、少なくともそれらの最適な軸肥大加工条件をもって軸肥大加工をワークに施すようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明おけるワークの加熱を伴う軸肥大加工方法によれば、σｃ／σｙの値を任意に定めることで、ワークのある温度における軸肥大加工時の最適な圧縮応力を得ることができ、また、σｃ／σｙの値と圧縮応力を任意に定めることで、該圧縮応力における軸肥大加工時の最適なワークの温度を得ることができる。また、先述の数１及び数２の式から所望する肥大部の肥大部直径Ｄに達するまでの最適な軸肥大加工回転回数Ｎを算出することができる。したがって、ワークを加熱することによって流動する軸肥大加工条件である、圧縮応力とワークの温度と軸肥大加工回転回数の最適条件を得ることができる。さらに、先述の数３の式から初期掴み間隔ｌ０を得ることができる。すなわち、この軸肥大加工方法は、所望する肥大部をワークに成形するに当り、少なくともそれらの最適な軸肥大加工条件をもって軸肥大加工をワークに施すようにしている。これによると、ワークへの無駄な加熱やワークに作用させる無駄な圧縮応力をなくすことができると共に、無駄な軸肥大加工時間をかけることがないようにでき、ワークに所望する肥大部を効率良く成形することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
所定間隔離間した一対の保持部にて軸材であるワークを保持し、少なくともその保持部間のワークに圧縮圧力と曲げ及び該ワークの軸心回りの回転を付加し、曲げによりワークの曲げ内側に凸部を生じさせ、この凸部を回転によってワークの全周に累積させる。そして、ワークの曲げ戻しを行い、圧縮圧力と回転の付加を停止させることで、ワークの任意の位置に所望の肥大部を成形させる。この軸肥大加工方法を行うにあたり、ワークを加熱するようにする。また、軸肥大加工回転回数Ｎの最適な条件を算出し、さらに、ワークの初期掴み幅ｌ０を算出し、少なくともそれらの最適な軸肥大加工条件をもって軸肥大加工をワークに施すようにする。
【００１１】
この軸肥大加工方法によると、ワークへの無駄な加熱やワークに作用させる無駄な圧縮応力をなくすことができると共に、無駄な軸肥大加工時間をかけることがないようにでき、ワークに所望する肥大部を効率良く成形することができる。
【実施例１】
【００１２】
本発明に係る軸肥大加工方法を図面に基づいて説明する。図１は軸肥大加工方法の手順を示す説明図である。図２は図１の（ａ）におけるワークと保持部の中心軸横軸断面をモデル化した説明図である。図３はワーク表面の軸方向における温度分布を示す説明図である。図４は加熱時間とワークの最大表面温度の関係を示す説明図である。図５は軸肥大加工中における保持部の最大表面温度の変化を示す説明図である。図６は軸肥大加工中におけるワークの最大表面温度の変化を示す説明図である。図７は加熱時間とワークの肥大率の関係を示す説明図である。図８は加熱時間とワークの肥大率Ｄ２０／Ｄ０の関係を示す説明図である。図９はき裂が発生したワークを示す説明図である。図１０は各加熱条件における軸肥大加工中のワークの最大表面温度の変化と肥大率の関係を示す説明図である。図１１は各加熱条件における軸肥大加工後のワークの様子を示す説明図である。図１２はワークの最大表面温度ＴＳと回転時定数Ｎ０との関係を示す説明図である。図１３はワークの降伏応力（σｃ／σｙ）と回転時定数Ｎ０の関係を示す説明図である。図１４はワークの軸肥大加工中の温度変化を示す説明図である。図１５は加熱時間ｔｈｅａｔ＝４０ｓｅｃ加熱のワークの軸肥大加工開始時のＦＥＭ連成解析結果を示す説明図である。図１６は加熱時間ｔｈｅａｔ＝４０ｓｅｃ加熱のワークの軸肥大加工終了時のＦＥＭ連成解析結果を示す説明図である。図１７はワークの温度とワーク表面からの軸方向への深さの関係を示す説明図である。図１８及び図１９は別の軸肥大加工方法の手順を示す説明図である。
【００１３】
まず、軸材（ワークＷ）からの保持部への放熱冷却を伴うような高温条件下でのワークＷの軸肥大変形挙動及び変形機構を明らかにすると共に、ワークＷの加工性に及ぼす軸肥大加工過程での青熱脆性の影響を明らかにするために、次のようにした。
【００１４】
まず、ワークＷを加熱するための加熱装置１として、高周波誘導加熱装置を用いる。詳述すると、この高周波誘導加熱装置は、複数巻きのコイルの中に導体である被加熱材（ワークＷ）を入れ、このコイルに交番電流（交流）を流すと、コイルに流れる電流により磁界が発生し、誘導損失（電気抵抗によるエネルギー損失）を生じて熱が発生（ヒステリシス損）して、被加熱材自体を発熱させる。また、その交番電流によって変化する磁界の中に被加熱材を置くと、該被加熱材に電磁誘導により渦電流が生じ、ジュール熱を発生して電磁エネルギーの熱損失（渦電流損）が起き、被加熱材の表面を発熱させる。すなわち、この装置は、ヒステリシス損と渦電流損の二つの加熱原理を活用したもので、局部的に短時間で加熱することができるものである。なお、ここでは、コイルとして円弧型コイルを用いることとする。
次に、ワークＷに軸肥大加工を施すための軸肥大加工装置は、ワークＷを保持する一対の保持部２，２を備えている。この保持部２，２は、ワークＷを保持した状態で少なくとも一方の保持部２が他方の保持部２に接近及び離間可能に構成されており、両保持部２，２にて保持したワークＷに圧縮圧力を作用させることができるよう構成されている。さらに、両保持部２，２は保持したワークＷを軸心回りに回転可能に構成されている。また、少なくとも一方の保持部２は他方の保持部２の軸心と交差するように偏倚可能に構成されており、両保持部２，２にて保持したワークＷに曲げを作用させることができるよう構成されている（図１の（ａ）及び（ｃ）参照）。
【００１５】
そして、加熱方法としては、ワークＷを保持部２，２にて保持させて回転させながら、ワークＷの保持部２，２間を前記加熱装置１にて加熱した（図１の（ａ）及び（ｂ）参照）。なお、このとき、加熱装置１の電圧を調整して、投入電力Ｐを一定条件（電力：２．８ｋＷ、電圧：４２０Ｖ、周波数：２１．７ｋＨｚ）とし、ワークＷの加熱時間（ｔｈｅａｔ＝２０ｓｅｃ〜１２０ｓｅｃ）の調整により、軸肥大加工開始時のワークＷの温度を調整した。
また、ワークＷの加熱後に軸肥大加工する手順としては、ワークＷを回転させながら、ワークＷの加熱後に円弧型コイルを保持部２，２間から外し、その後、曲げ角度θまでワークＷに曲げを付加し、次いで圧縮圧力を付加した（図１の(ａ)から（ｃ）参照）。これら、回転、圧縮圧力、曲げがワークＷに作用すると、ワークＷの曲げの内側に位置する箇所に凸部が成形される。そして、ワークＷを回転させることによって、該凸部をワークＷの全周に渡って累積させ、肥大部を成形させる（図１の（ｄ）参照）。然る後、所定の軸肥大加工回転回数に達すると、曲げ戻しを行い、ワークＷを真直化させる（図１の（ｅ）参照）。そして、ワークＷを真直化した後に、圧縮圧力と回転を停止させ、ワークＷを保持部２，２から取り出す。
さらに、ワークＷの温度測定としては、赤外線温度計を用いて、ワークＷの加熱直後から軸肥大加工終了までの表面温度を実測した。
【００１６】
なお、ワークＷには直径Ｄ０＝３２ｍｍの構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃの丸棒鋼材を使用し、全長１５５ｍｍとした。また、軸肥大加工条件としては、圧縮応力σｃ＝０．９７×σｙ２５（σｙ２５：Ｓ４５Ｃ材の室温（２５℃）における降伏応力）とし、曲げ角度θ＝３°、回転速度Ｖ＝４０ｒｐｍ、軸肥大加工回転回数Ｎ＝２０回転、初期掴み幅ｌ０＝５５ｍｍとした。なお、この軸肥大加工条件は、常温での軸肥大加工の場合との比較により、軸肥大変形挙動や肥大率に及ぼす温度の影響を明らかとするために、当該ワークＷに常温にて軸肥大加工を施す場合の条件と同一条件とした。また、当該ワークＷの常温での軸肥大加工による肥大率Ｄ２０／Ｄ０＝１．３５である。
また、加熱装置１にて加熱されたワークＷの表面及び内部の温度分布とその変化を把握するために、汎用ソフトによるＦＥＭ解析を行った。さらに、図１の（ａ）におけるワークＷと両保持部２，２の中心軸横軸断面を図２に示すようにモデル化して、軸肥大加工中の温度変化も考慮して、軸肥大変形挙動も解析できるように２次元平面ひずみ問題として連成解析を行った。なお、両保持部２，２は単純化のために剛体として解析した。また、この解析における熱的及び機械的付加の入力として、実際の軸肥大加工条件に合わせて、ワークＷの加熱部分の表層部に熱流束分布を与えて加熱源とし、所定の時間だけ加熱した後に加熱源を外し、偏倚させる保持部２に振り子運動させながら、他方の保持部２の端部より圧縮圧力を与えた。また、前記加熱源としての熱流束は、前記加熱装置１によるワークＷの加熱直後に実測した温度分布に解析結果が一致するようにワークＷ表面部分に熱流束分布を与えた。なお、このとき、ワークＷからの前記保持部２，２への放熱は熱伝導による自然放熱を考慮し、他の表面からの放熱は大気への自然放射冷却を考慮した。また、ワークＷの降伏応力σｙ、ヤング率Ｅ、熱膨張係数α、比熱Ｃ及び熱伝導率λの温度依存性としては実測値をもとに数式化して用いた。
【００１７】
続いて、上記した条件において、ワークＷを加熱し、然る後、ワークＷに軸肥大加工を施し、その後、上記した解析条件で解析したことに基づいて、ワークＷからの保持部２，２への放熱冷却を伴うような高温条件下でのワークＷの軸肥大変形挙動及び変形機構について検証すると共に、ワークＷの加工性に及ぼす軸肥大加工過程での青熱脆性の影響について検証した。
【００１８】
まず、図３から図６を用いて、軸肥大加工中におけるワークＷの温度変化について説明する。
図３は各加熱条件における加熱直後のワークＷ表面における軸方向の温度分布を示している。これによると、最大温度レベルにあるワークＷ表面の領域は加熱時間の増大と共に増大することが分かる。
次に、図４は加熱時間の増大に伴うワークＷの表面最大温度における加熱直後温度Ｔｈと軸肥大加工開始時の温度ＴＳ及び軸肥大加工終了時の温度Ｔｆの各温度変化を示している。これによると、ワークＷの加熱時間ｔｈｅａｔ＝６０ｓｅｃ以上となると、ワークＷの表面最大温度の上昇は次第に飽和していくことが分かる。また、ワークＷの加熱時間ｔｈｅａｔ＝６０ｓｅｃ以上となると、加熱直後から軸肥大加工開始までの間に、ワークＷの最大表面温度が１００Ｋから２００Ｋ程度の温度低下を示す傾向がある。さらに、軸肥大加工開始時と軸肥大加工終了時のワークＷの表面最大温度が、加熱時間ｔｈｅａｔ＝５０ｓｅｃ以上で逆転する傾向があることが分かる。
また、図５は一方の保持部２における軸肥大加工開始から終了までの表面最大温度の変化を示しており、図６はワークＷの表面最大温度の軸肥大加工開始から終了までの表面最大温度の変化を示している。これによると、該保持部２の温度は加熱時間ｔｈｅａｔ＝１００ｓｅｃ以上で、ワークＷの温度は加熱時間ｔｈｅａｔ＝４０ｓｅｃ，５０ｓｅｃで、青熱脆性温度域に入ることが分かる。
【００１９】
続いて、図７から図１１を用いて、ワークＷの軸肥大変形挙動に及ぼす加熱温度条件の影響について説明する。
まず、図７はワークＷの加熱時間をパラメータとして、ワークＷの軸肥大加工回転回数Ｎの増大に伴うワークＷの肥大率Ｄ／Ｄ０の挙動を示している。これによると、加熱時間ｔｈｅａｔ＞５０ｓｅｃでの軸肥大変形挙動は明瞭に加熱時間の影響を受け、ワークＷの肥大部の変形速度は加熱時間の増大と共に急速な増大を示すことが分かる。また、ワークＷの軸肥大加工回転回数Ｎ＝２０までの肥大率Ｄ２０／Ｄ０に着目すると、加熱時間の増大に伴う肥大率Ｄ２０／Ｄ０の変化は図８に示すようになる。これによると、加熱時間ｔｈｅａｔが３０ｓｅｃ＜ｔｈｅａｔ＜５０ｓｅｃの加熱時間域では、ワークＷの肥大率Ｄ２０／Ｄ０はワークＷを加熱しない場合よりも低いことが分かる。このように、ワークＷの肥大率が低下することは青熱脆性の発生に起因すると推察される。また、加熱時間ｔｈｅａｔ＞５０ｓｅｃとなると、軸肥大加工に対する加熱時間の効果が明瞭に現れ、加熱時間が増大するほど、その効果が一層向上することが分かる。しかしながら、加熱時間ｔｈｅａｔ＝１００ｓｅｃでは、破断には至らないが図９に示すように、軸肥大加工終了直前にワークＷのフィレット部にき裂が発生した。このき裂の発生は、軸肥大加工最終段階時にワークＷの前記フィレット部が青熱脆性温度域にあることに起因している。しかし、加熱時間ｔｈｅａｔ＝１１０ｓｅｃ程度以上の予加熱時間では、ワークＷにき裂損傷が発生することはなく、軸肥大加工にとってワークＷの加熱が極めて有効となることが分かる。
また、図１０は各加熱条件での軸肥大加工中におけるワークＷの最大表面温度（加熱直後）Ｔｈ，最大表面温度（加工開始時）ＴＳ，最大表面温度（加工終了後）Ｔｆの各温度変化とワークＷの肥大率Ｄ２０／Ｄ０との関係を示している。これによると、軸肥大加工中でのワークＷの最大表面温度の変化は軸肥大加工開始時の温度曲線と軸肥大加工終了時の温度曲線との間にあり、この軸肥大加工中でのワークＷの最大表面温度の温度変化がワークＷの肥大率Ｄ２０／Ｄ０に影響を及ぼしていることが分かる。さらに、軸肥大加工開始時のワークＷの表面最大温度ＴＳが約７５８Ｋ以下では、図１１の（ａ）及び（ｂ）にも示すように、ワークＷの加熱による効果はほとんどなく、むしろ常温での軸肥大加工よりもワークＷの肥大率Ｄ２０／Ｄ０は低下している。また、ワークＷの表面最大温度ＴＳが約８５６Ｋ以上では、図１１の（ｃ）にも示すように、常温での軸肥大加工では期待できない二倍以上の肥大率Ｄ２０／Ｄ０が得られ、ワークＷの加熱による非常に大きな効果が明瞭に現れる。
【００２０】
以上のことから、ワークＷの軸肥大変形挙動について次のように説明する。
軸肥大変形挙動は、ワークＷの軸方向の平均的な圧縮塑性ひずみが曲げによる交番応力で進行するのを考慮して定式化をはかると、軸圧縮変形挙動として数４（数１）の式で表される。
【００２１】
【数４】
【００２２】
ここで、ｌは肥大部の軸方向における幅であり、ｌ０はワークの初期掴み幅、ε０は特定の肥大率に対する軸圧縮ひずみであり、Ｎθは設定曲げ角度に達するまでの回転数である。
一方、ワークＷの被圧縮部（肥大部）での体積不変を考慮して、数５（数３）の式を数４（数１）の式に代入すると数６（数２）の式が得られ、図７中に示す破線のように軸肥大変形挙動の推定式として表すことができる。
【００２３】
【数５】
【００２４】
【数６】
【００２５】
ここで、Ｎ０は回転時定数であり、塑性変形抵抗と密接な関係がある。また、上記してきた軸肥大加工での軸圧縮変形挙動の実測値に対して、数４（数１）の式をベストフィットさせて得られるＮ０およびｎ（ｎ：ワーク素材の材料定数）の値は、数６（数２）の式にも適用できる。
この軸肥大加工における加工速度∂（Ｄ／Ｄ０）／∂Ｎは回転時定数Ｎ０の値が小さくなる条件ほど速くなる。ここで、これらの軸肥大変形特性を加工開始時のワークＷの最大表面温度ＴＳと回転時定数Ｎ０の関係で表すと、図１２に示すような傾向がある。すなわち、最大表面温度ＴＳが高くなるほど、回転時定数Ｎ０は小さくなるが、ワークＷの再結晶温度Ｔｒ以上になると急速に回転時定数Ｎ０が低下する傾向がある。また、最大表面温度ＴＳ＝５２３Ｋ〜６７３Ｋの範囲を除いて考えると、最大表面温度ＴＳと回転時定数Ｎ０の関係の傾向は、図１２中の二本の実線で示されるように数７の式で定式化できる。
【００２６】
【数７】
【００２７】
ここで、ＮＴｒは再結晶温度Ｔｒにおける回転時定数Ｎ０の値であり、Ｑは軸肥大変形機構の活性化エネルギー、ｋはボルツマン定数である。
一方、軸圧縮荷重一定での各加熱条件における軸肥大加工の圧縮応力σｃを、各ワークＷの最大表面温度ＴＳでの降伏応力σｙで基準化した値σｃ／σｙにより、回転時定数Ｎ０に及ぼす圧縮応力σｃの影響を検討すると、図１３に示すような傾向を示す。すなわち、この影響もまた、最大表面温度ＴＳ＝４７３Ｋ〜６２３Ｋの範囲を除いて考えると、再結晶温度Ｔｒ域を境に変化する傾向がある。この傾向は軸肥大加工に及ぼすワークＷの加熱による温度の効果が降伏強度の温度依存性による低下に支配されていることを示唆している。
【００２８】
次に、ワークＷの軸肥大変形の温度依存性に及ぼす青熱脆性の影響について説明する。
まず、ワークＷの軸肥大加工開始時の最大表面温度ＴＳ＝４７３Ｋ〜５２３Ｋとなる加熱時間ｔｈｅａｔ＝３０ｓｅｃ，４０ｓｅｃ及び５０ｓｅｃでの軸肥大加工においては、最大表面温度ＴＳが図１４に示すようにほとんど青熱脆性温度域内で軸肥大変形が進行するため、肥大率Ｄ２０／Ｄ０＝１．３５以上は向上しない。また、この温度範囲での降伏応力の温度依存性としては青熱脆性によりワークＷが強度上昇するので、軸肥大加工に対して、むしろ、ワークＷを加熱することが逆効果を示す傾向にあったと推察される。このような青熱脆性の影響には、軸肥大加工過程におけるワークＷの表面温度の変化のみならず、表面から軸心方向への温度分布および軸方向温度分布の変化も影響する。
図１５及び図１６は加熱時間ｔｈｅａｔ＝４０ｓｅｃ加熱のワークＷの軸肥大加工開始時及び終了時の温度分布をＦＥＭにより連成解析して推定したものである。これによると、表面から内部への温度分布はワークＷの中央位置では略々均一であり、端部へ僅かに外れる領域でほんの一部分布が生じる程度であることが分かる。しかも、表面から任意の深さ位置における軸方向応力分布としては表面での軸方向分布と略々類似の分布を示している。また、図１７に示すように、軸肥大加工の進行に伴うワークＷの深さ方向温度分布も表面と中心とに温度差がほとんど生じることはなく、一様に変化する傾向がある。
したがって、軸肥大加工中でのこれらの温度分布の変化から、ワークＷの最大表面温度ＴＳ＝４７３Ｋ〜６２３Ｋの範囲の加熱は青熱脆性の影響により軸肥大加工の加工性の向上に対して逆効果となることが十分に推察できる。
【００２９】
続いて、ワークＷの軸肥大加工率向上に対するワークＷの加熱効果における青熱脆性の影響と効果的な加熱条件について説明する。
加熱時間ｔｈｅａｔ＝１００ｓｅｃで軸肥大加工開始時のワークＷの表面最大温度ＴＳ＝８２３ＫとなるワークＷに軸肥大加工を施した場合のように、肥大率Ｄ２０／Ｄ０＝２まで向上する加熱条件下でも、図９に見られるようにき裂が発生する。このき裂発生も青熱脆性が影響しており、軸肥大加工中での温度低下によってワークＷのフィレット部の温度が青熱脆性温度域に入るため、ワークＷの前記フィレット部の材質硬化が疲労き裂を誘起したと推察される。ところが、加熱時間ｔｈｅａｔ＝１１０ｓｅｃ、１２０ｓｅｃで表面最大温度ＴＳ＞８５３ＫとなるワークＷの軸肥大加工の場合では、き裂の発生は認められなかった。これは該ワークＷのフィレット部の温度が青熱脆性温度域まで低下しないためである。
したがって、軸肥大加工における効果的な加熱条件としては、常温での軸肥大加工で期待できない二倍程度以上の肥大率が得られ、ワークＷの温度低下に伴う青熱脆性の影響による材質硬化に起因するき裂発生を回避できることが不可欠である。このことを考慮すると、ワークＷの表面最大温度ＴＳ＞８５３Ｋとなる加熱時間ｔｈｅａｔ＞１１０ｓｅｃの加熱条件が軸肥大加工率の向上にとって最も効果的であると言える。
【００３０】
以上の検証から次のことが言える。
まず、ワークＷの軸肥大加工開始時の表面最大温度ＴＳがＴＳ＝６７３Ｋ以下の加熱条件では、ワークＷの肥大率に対してほとんど効果がないというより、むしろ、悪影響を及ぼす。また、表面最大温度ＴＳがＴＳ＝８２３Ｋの加熱条件では、約二倍の肥大率を得られるが、軸肥大加工中のワークＷの温度低下により青熱脆性に起因する疲労き裂が発生する。
また、表面最大温度ＴＳがＴＳ＝８５３Ｋ以上の加熱条件では、ワークＷを加熱することがワークＷの肥大率の向上に対して極めて有効であり、青熱脆性のような有害な影響が発生することなく肥大率Ｄ２０／Ｄ０が二倍以上に増大する。
さらに、軸肥大加工に対するワークＷの加熱の効果を温度依存性によるσｃ／σｙの増大効果と見做して評価すると、軸肥大変形挙動は室温（常温）の軸肥大加工の場合と同様に、ワークＷの加熱を伴う軸肥大加工でもよく推定できる。
【００３１】
続いて、上述してきたことに基いて、本発明に係る軸肥大加工方法を説明する。なお、本実施例では、軸肥大加工をワークＷに施す前にワークＷを加熱する加熱工程を行う場合について説明する。
まず、軸肥大加工をワークＷに施す前にワークＷを加熱することは、上述したように、ワークＷの軸肥大加工率の向上に対して有効であることは明らかであり、ワークＷを加熱して温度を高くすれば、ワークＷの変形抵抗を小さくすることができ、軸肥大加工を施しやすくできる。すなわち、本実施例におけるワークＷを加熱する加熱工程は、軸肥大加工を施すワークＷを加熱することで、ワークＷの変形抵抗を確実に低下させ、ワークＷの軸肥大加工性を確実に向上させるための工程である。したがって、ワークＷを加熱できるものであれば、加熱工程に用いる加熱装置１は、上記した高周波誘導加熱装置のみならず、種々の燃料を使用し、その燃焼により生じる熱によりワークＷを加熱する燃焼加熱装置であっても何ら問題はなく、これらのような加熱装置を実施例に合わせて選択して、最適なものを使用すれば良い。
【００３２】
続いて、加熱工程において、ワークＷを加熱する条件について説明する。
上述したように、加熱装置１にてワークＷを加熱した後に該ワークＷに軸肥大加工を施しても、その肥大率に対してほとんど効果がない、あるいは、青熱脆性の影響によりむしろ悪影響を及ぼす温度域があることは明らかである（図１０参照）。この温度域は、加熱したワークＷの軸肥大開始時の最大表面温度ＴＳで見た場合ではＴＳ＝６７３Ｋ以下である。
また、前記温度域（ＴＳ＝６７３Ｋ以下）を越えるワークＷの表面最大温度ＴＳとすると、上述したように、ワークＷを加熱することがワークＷの肥大率の向上に対して有効に作用する（図１０参照）。したがって、この温度域（ＴＳ＞６７３Ｋ）では、ワークＷの変形抵抗を確実に低下させることができ、従来の常温での軸肥大加工の圧縮圧力以下の圧縮圧力にてワークＷに軸肥大加工を施せる。さらに、容易にワークＷに成形する肥大部の直径を大きくできると共にワークＷの軸方向に幅広な肥大部を成形することも可能となる。
さらに、表面最大温度ＴＳがＴＳ＝８５３Ｋ以上の加熱では、ワークＷを加熱することがワークＷの肥大率に対して極めて有効に作用し、青熱脆性のような有害な影響を受けることなく、ワークＷの肥大率を二倍以上とすることができる（図１０参照）。また、この表面最大温度ＴＳ＝８５３Ｋ以上ではワークＷの再結晶温度Ｔｒの温度近傍以上となることから、結晶粒微細化強化の作用による組織の改質及び機械的特性の改善がなされると共に強靭化が図れることから、ワークＷの塑性変形能（伸び）が向上される特徴がある。したがって、この温度域以上では、従来の常温での軸肥大加工の圧縮圧力以下の圧縮圧力でワークＷに軸肥大加工を施せるだけでなく、一層容易に肥大部の直径を大きくできると共にワークＷの軸方向に幅広な肥大部を容易に成形可能となり、さらに、ワークＷの改質及び機械的特性の改善もできる。
しかしながら、前記温度域（ＴＳ＝６７３Ｋ以下）を越えるワークＷの最大表面温度ＴＳがＴＳ＝８２３Ｋであっても、上述したように、軸肥大加工中のワークＷの放熱により青熱脆性温度域までワークＷの温度低下した部分が青熱脆性の影響により材質硬化し、き裂損傷が発生することがある（図９参照）。
したがって、加熱工程にてワークＷを加熱する条件は、軸肥大加工開始時にワークＷの全体又は少なくとも肥大成形したい部分の温度が青熱脆性温度域を越える温度（ＴＳ＞６７３Ｋ）とすると共に、軸肥大加工中にワークＷからの放熱により、ワークＷの全体又は少なくとも肥大成形したい部分の温度が青熱脆性温度域まで低下しない温度とすることが望ましい。これによると、ワークＷの変形抵抗を確実に低下させることができると共に、従来の常温での軸肥大加工の圧縮圧力以下の圧縮圧力でワークＷに軸肥大加工を施せ、さらに、ワークＷに青熱脆性の影響による材質硬化に起因するき裂損傷の発生を防ぐことができる。また、このワークＷを加熱する条件は、ワークＷの塑性変形能の向上も図れ、軸肥大加工におけるワークＷの肥大率の向上に対して有効に作用するので、肥大率二倍以上の大きな肥大部を容易に成形可能となると共に、ワークＷの軸方向に幅広な肥大部を容易に成形することが可能となる。
【００３３】
次に、上述したような加熱装置１及び軸肥大加工装置を使用したワークＷの軸肥大加工手順を図１に基づいて説明する。
まず、直線状の軸材であるワークＷの所望部分又は全体を加熱した後、このワークＷを一定間隔離間させた一対の保持部２，２で保持させる。あるいは、ワークＷを一定間隔離間させた一対の保持部２，２に保持させた状態で、その保持部２，２間のワークＷ又はその保持部２，２間のワークＷの所望部分を加熱させる（（ａ）及び（ｂ）参照）。なお、このときの保持部２，２の間隔は、最大でワークＷに曲げと圧縮圧力を作用させたときに、ワークＷが座屈しない程度までの間隔とする。また、この間隔は初期掴み幅ｌ０である（（ａ）参照）。また、ワークＷの加熱する条件は、上述したように、軸肥大加工開始時に少なくともワークＷの肥大成形したい部分の温度が青熱脆性温度域を越える温度とすると共に、軸肥大加工中にワークＷからの放熱により、ワークＷのその部分の温度が青熱脆性温度域まで低下しない温度とする。
そして、ワークＷを保持部２，２にて保持させた後、両保持部２，２間のワークＷに回転と圧縮圧力と曲げを作用させる（（ｃ）参照）。このとき、圧縮圧力は少なくとも一方の保持部２を他方の保持部２に接近させることで作用させている。また、圧縮圧力はワークＷの曲げ外側に生じる引張力を相殺して引張力がワークＷに作用しない程度、又は、圧縮圧力がワークＷに作用する程度とする。このとき、加熱工程にてワークＷを加熱していることで、上述したように、ワークＷの変形抵抗は確実に低下していることから、作用させる圧縮圧力は小さなもので良い。また、この圧縮圧力により、ワークＷの曲げ外側に生じる引張力を相殺して、ワークＷが疲労することを防止している。さらに、曲げ角度については数度程度で良い。この曲げ角度を大きくすると、ワークＷは屈曲しやすくなるため加工性が悪くなる。また、回転速度については毎分数回転から毎分数百回転程度の回転で良い。
これら、回転、圧縮圧力、曲げがワークＷに作用すると、ワークＷの曲げの内側に位置する箇所に凸部が成形される。そして、ワークＷを回転させることによって、該凸部をワークＷの全周に渡って累積させ、所望の肥大部を成形させる（（ｄ）参照）。
然る後、所望の肥大部が成形されると、曲げ戻しを行い、ワークＷを真直化させる（（ｅ）参照）。そして、ワークＷを真直化した後に、圧縮圧力と回転を停止させ、ワークＷを保持部２，２から取り出す。
このようにすると、保持部２，２から取り出した素材径Ｄ０のワークＷの中間部に、幅ｌ（ｌ０＞ｌ）の肥大部直径Ｄ（Ｄ＞Ｄ０）の肥大部を成形できる（（ｆ）参照）。
【００３４】
このようにワークＷに軸肥大加工を施す前に、少なくともワークＷの肥大成形をしたい部分の温度が軸肥大加工中に青熱脆性温度域以下の温度にならない温度以上となるように加熱工程にてワークＷを加熱して、ワークＷの変形抵抗を低下させ、その後に軸肥大加工を該ワークＷに施す。したがって、ワークＷの変形抵抗が確実に低下しているので、従来の常温での軸肥大加工に比べて作用させる圧縮圧力を確実に小さなものとでき、その小さな圧縮圧力にて軸肥大加工をワークＷに施すことができ、所望の肥大部を成形することができる。また、その状態で軸肥大加工をワークＷに施すようにしたことで、ワークＷの温度低下により、ワークＷに青熱脆性の影響による材質硬化に起因するき裂損傷が発生することを防ぐことができる。したがって、不良品の発生を防ぐことができる。また、少なくともワークＷの肥大成形させる部分を青熱脆性温度域を越える温度に加熱することは、ワークＷの塑性変形能を向上させることもできるので、従来の常温の軸肥大加工では期待できない、肥大率が二倍以上の肥大部を成形することも可能となる。さらに、ワークＷに作用させる圧縮圧力を小さくできることから、保持部２，２のワークＷの保持力も小さくなり、保持部２，２の構成の簡略化を図ることも可能となる。すなわち、軸肥大加工装置の構成の簡略化を図れるようになる。
【００３５】
なお、ワークＷに軸肥大加工を施すための軸肥大加工条件は、上記したような条件（圧縮圧力、曲げ角度、掴み幅等）を満たしておれば良いが、所望する肥大部形状（肥大部直径及び肥大部幅）により、軸肥大加工条件（ここでは、ワークＷを加熱することによって流動する条件である、圧縮応力、ワークＷの温度及び軸肥大加工回転回数）を設定することが望ましい。このとき、上述したように、軸肥大加工に対するワークＷの加熱効果を温度依存性によるσｃ／σｙの増大効果と見做して評価すると、軸肥大変形挙動は常温での軸肥大加工の場合と同様に、ワークＷの加熱を伴う軸肥大加工でもよく推定できる。このことにより、σｃ／σｙの値を任意に定めることで、ある温度におけるワークＷの軸肥大加工時の最適な圧縮応力を得ることができる。また、σｃ／σｙの値と圧縮応力を任意に定めることで、該圧縮応力におけるワークＷを加熱して昇温させたときの最適な最低温度を得ることができる。さらに、数４（数１）の式に実測値を当てはめて得られた回転時定数Ｎ０とワーク素材の材料定数ｎと、所望する肥大部の肥大部直径Ｄを数６（数２）の式に代入して算出することで、肥大部直径Ｄに達するまでの最適な軸肥大加工回転回数Ｎを算出することができる。すなわち、ワークＷの加熱することによって流動する軸肥大軸肥大加工条件である圧縮応力、ワークＷの温度及び軸肥大加工回転回数の最適条件を得ることができる。したがって、この最適条件を用いて軸肥大加工をワークＷに施すことによって、ワークＷへの無駄な加熱やワークＷに作用させる無駄な圧縮圧力をなくすことができると共に、無駄な軸肥大加工時間をかけることがないようにでき、ワークＷに所望する肥大部を効率良く成形することが可能となる。なお、上記してきた軸肥大加工方法（図１参照）では、所望の肥大部を成形するにあたり、ワークＷの初期掴み幅ｌ０が影響することとなるので、初期掴み幅ｌ０については、数５（数３）の式から算出すれば良い。
【００３６】
また、本実施例においては、ワークＷに圧縮圧力を作用させるために、ワークＷを保持した保持部２，２の少なくとも一方を他方の保持部２に接近させる軸肥大加工装置の構成としている。しかしながら、ワークＷを一対の保持部２，２に保持させた状態で、一方の保持部２側から他方の保持部２側へ油圧シリンダ等の伸縮手段で該ワークＷを押し出すようにして、ワークＷに圧縮圧力を作用させる軸肥大加工装置の構成としても良い（図１８及び図１９参照）。このように構成した軸肥大加工装置を用いた軸肥大加工方法によると、素材径Ｄ０のワークＷの中間部に、肥大部直径Ｄ（Ｄ＞Ｄ０）で初期掴み間隔ｌ０と肥大部幅ｌが同じ幅（ｌ０＝ｌ）の肥大部（図１８の（ｈ）参照）、又は、肥大部直径Ｄ（Ｄ＞Ｄ０）で初期掴み幅ｌ０より肥大部幅ｌが大きな幅（ｌ＞ｌ０）の肥大部（図１９の（ｈ）参照）を成形することも可能となる。したがって、この軸肥大加工方法と上述したワークＷの加熱条件でワークＷを加熱する方法とを組み合わせることで、上述した軸肥大加工方法と同様の作用と効果を得ることができると共に、ワークＷに成形する肥大部の直径をより一層大きなものとすることが容易にでき、さらに、肥大部の幅がより一層幅広なものとすることが容易にできるようになる。
さらに、本実施例においては、加熱装置１にてワークＷを加熱する加熱工程を、ワークＷに軸肥大加工を施す前に行うようにしているが、ワークＷの軸肥大加工中も加熱装置１にてワークＷを加熱するようにしても良い。この方法のようにしても、上述した軸肥大加工方法と同様の作用と効果を得ることができる。さらに、この方法によれば、ワークＷの温度管理が行いやすいだけでなく、ワークＷのきめ細かな温度調節を行え、さらには、ワークＷからの放熱の影響によるワークＷの変形抵抗及び塑性変形能の変化を略々無くすあるいは無視できるようにすることが可能となる。したがって、軸肥大加工により成形する肥大部の形状（肥大部直径及び肥大部幅等）をよりコントロールしやすくなり、所望の肥大部を一層成形しやすくなる。また、軸肥大加工前でのみワークＷを加熱する場合と比べて、この軸肥大加工方法は、ワークＷの放熱による温度低下を考慮する必要がないことから、加熱した際の少なくともワークＷの肥大成形させたい部分の温度を青熱脆性温度域を越える温度でも低く抑えることが可能となる。すなわち、ワークＷの肥大成形したい部分の温度が青熱脆性温度域を越える温度からワークＷの最大表面温度ＴＳ＝６７３Ｋの間の温度域においても、青熱脆性の影響を受けることなくワークＷに軸肥大加工を施すことが可能となる。したがって、所望する肥大部の軸肥大加工を、肥大部形状に合わせて、より最適な条件にて効率良く行うことが可能となる。さらに、上述した軸肥大加工方法に比べて、極めて大きな肥大部を成形可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】軸肥大加工方法の手順を示す説明図。 （ａ）ワークの加熱及びワークを保持部に保持した様子を示す説明図。 （ｂ）（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図。 （ｃ）ワークに圧縮圧力、回転、曲げを付加した様子を示す説明図。 （ｄ）肥大部を成形する様子を示す説明図。 （ｅ）ワークを真直化する様子を示す説明図。 （ｆ）当該方法で肥大部が成形されたワークの様子を示す説明図。
【図２】図１中の（ａ）におけるワークと保持部の中心軸横軸断面をモデル化した説明図。
【図３】ワーク表面の軸方向における温度分布を示す説明図。
【図４】加熱時間とワークの最大表面温度の関係を示す説明図。
【図５】軸肥大加工中における保持部の最大表面温度の変化を示す説明図。
【図６】軸肥大加工中におけるワークの最大表面温度の変化を示す説明図。
【図７】加熱時間とワークの肥大率の関係を示す説明図。
【図８】加熱時間とワークの肥大率Ｄ２０／Ｄ０の関係を示す説明図。
【図９】き裂が発生したワークを示す説明図。
【図１０】各加熱条件における軸肥大加工中のワークの最大表面温度の変化と肥大率の関係を示す説明図。
【図１１】各加熱条件における軸肥大加工後のワークの様子を示す説明図。 （ａ）未加熱の場合のワークの様子を示す説明図。 （ｂ）加熱時間ｔｈｅａｔ＝４０ｓｅｃの場合のワークの様子を示す説明図。 （ｃ）加熱時間ｔｈｅａｔ＝１２０ｓｅｃの場合のワークの様子を示す説明図。
【図１２】ワークの最大表面温度ＴＳと回転時定数Ｎ０との関係を示す説明図。
【図１３】ワークの降伏応力（σｃ／σｙ）と回転時定数Ｎ０の関係を示す説明図。
【図１４】ワークの軸肥大加工中の温度変化を示す説明図。
【図１５】加熱時間ｔｈｅａｔ＝４０ｓｅｃ加熱のワークの軸肥大加工開始時のＦＥＭ連成解析結果を示す説明図。
【図１６】加熱時間ｔｈｅａｔ＝４０ｓｅｃ加熱のワークの軸肥大加工終了時のＦＥＭ連成解析結果を示す説明図。
【図１７】ワークの温度とワーク表面からの軸方向への深さの関係を示す説明図。
【図１８】別の軸肥大加工方法の手順を示す説明図。 （ａ）ワークの加熱及びワークを保持部に保持した様子を示す説明図。 （ｂ）（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図。 （ｃ）ワークに圧縮圧力、回転、曲げを付加した様子を示す説明図。 （ｄ）保持部間隔を一定に保った状態で肥大部を成形する様子を示す説明図。 （ｅ）保持部間隔を一定に保った状態で肥大部を成形する様子を示す説明図。 （ｆ）保持部間隔を一定に保った状態で肥大部を成形する様子を示す説明図。 （ｇ）ワークを真直化する様子を示す説明図。 （ｈ）当該方法で肥大部が成形されたワークの様子を示す説明図。
【図１９】別の軸肥大加工方法の手順を示す説明図。 （ａ）ワークの加熱及びワークを保持部に保持した様子を示す説明図。 （ｂ）（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図。 （ｃ）ワークに圧縮圧力、回転、曲げを付加した様子を示す説明図。 （ｄ）保持部間隔を広げながら肥大部を成形する様子を示す説明図。 （ｅ）保持部間隔を広げながら肥大部を成形する様子を示す説明図。 （ｆ）保持部間隔を狭めて肥大部の形状を整える様子を示す説明図。 （ｇ）ワークを真直化する様子を示す説明図。 （ｈ）当該方法で肥大部が成形されたワークの様子を示す説明図。
【符号の説明】
【００３８】
１ 加熱装置
２ 保持部
Ｄ 肥大部直径
Ｄ０ ワークの素材直径
ｌ 肥大部のワーク軸方向における幅（肥大部幅）
ｌ０ ワークの初期掴み幅
Ｎ 軸肥大加工回転回数
Ｎ０ 回転時定数
Ｎθ 設定曲げ角度に達するまでの回転数
ｎ ワーク素材の材料定数
Ｗ ワーク
σｃ 圧縮応力
σｙ ワークの各温度における降伏応力
ε０ 特定の肥大率に対する軸圧縮ひずみ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直線状の軸材の中間部に素材径よりも大径となる肥大部を一体的に成形する軸肥大加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、軸材の中間部に肥大部を設ける場合には、太い軸材に対する切削加工によるか、鍛造等の塑性加工による成形と切削加工による仕上げ等によるか、あるいは、軸材に別部品を溶接して接合する方法が採られていた。しかしながら、素材に切削加工を施す場合には、切削加工に手間がかかるだけでなく、材料的にも無駄が多くなるので不経済であり、さらに、長尺物の中間部に肥大部を削り出すことは難しいものであった。また、溶接にて素材に別部品を接合する方法では、溶接熱の影響を受けるといった問題点があった。
【０００３】
この問題点を解決するために、軸材の中間部に局部的に肥大部を成形する方法として、軸材に回転と圧縮圧力及び曲げを作用させる軸肥大加工方法がある。この技術によれば、軸材の中間部に簡単に肥大部を成形することができるので、従来のような切削加工あるいは溶接をする必要がなくなる。この従来の技術を詳しく説明すると、所定間隔に離間した一対の保持部で直線状の軸材を保持させる。そして、この軸材の軸心回りに回転を加え、その状態で、前記保持部の少なくとも一方を他方に接近する方向に移動させると共に、一対の保持部のいずれかを軸線と交差する方向へ徐々に偏倚させる。これにより、曲げの外側においても常に圧縮応力が作用する条件下で回転中の軸材に圧縮力と曲げ力を作用させて、両保持部間の軸材に直径方向の塑性変形を生じさせる。然る後、曲げの外側においても圧縮応力が作用する条件を保ったまま、前述した保持体の偏倚を徐々に復元させることにより、軸材の中間部に肥大部を成形するものである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
しかしながら、上記技術では軸材に曲げ及び回転を作用させる際には、圧縮圧力を加えると共に回転させ、曲げを行い所望の形状を得た後、曲げ戻しを行い圧縮と回転を停止するものであるため、軸材の素材が高強度鋼材や大型軸鋼材になると、高い圧縮圧力が必要となり、該軸肥大加工法を軸材に施す装置の大型化が不可欠となる。また、逆に低い圧縮圧力では所望の形状を得るまでの軸肥大加工回転回数が多くなるため時間がかかるといった問題点がある。さらには、成形する軸材の素材径の二倍未満の肥大部を得ることが限界であり、適用できる部品も限られたものとなっていた。
【０００５】
そこで、この問題点を解決するために、軸肥大加工を施す前又は加工を行っている最中に、軸材を加熱することによって軸材の変形抵抗を低下させ、容易に塑性変形できる状態とした軸材に軸肥大加工を施す加工方法が提案されている。これによると、僅かな圧縮圧力にて軸材に肥大部を成形可能となると共に、装置の大型化を回避することができる。また、軸材の塑性変形能を向上させることが可能となることから、従来以上に肥大部の直径を大きなものとすることができると共に、軸材の軸方向に幅広な肥大部を容易に成形できるようになる（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
しかしながら、軸材を加熱して軸肥大加工を施すにあたり、軸材への加熱と加熱した熱の保持部等への放熱によって、青熱脆性等の影響が生じて、軸材が硬化されて変形抵抗が大きくなり、所望の肥大部を得られない場合がある。さらに、軸材の塑性変形能が低下することで、軸肥大加工過程において軸材にき裂損傷が発生する等の不具合が生じる場合もある。
【特許文献１】特開昭６２−４５４４２号公報
【特許文献２】特開２００５−０８８０６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は上記事情に鑑み、軸材への加熱を伴う軸肥大加工方法において、軸材からの保持部への放熱冷却を伴うような高温条件下での軸肥大変形挙動及び変形機構を明らかにして、軸材への加熱を伴う最適な軸肥大加工方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、ワークを加熱することにより流動する軸肥大加工条件である圧縮応力とワークの温度及び軸肥大加工回転回数の最適条件を、σｃ／σｙ（σｃ：圧縮応力、σｙ：ワークの各温度における降伏応力）の値を任意に定めると共に、ワークに作用させたい圧縮応力又は軸肥大加工開始時のワークの温度を定めることで、ワークの温度に対する最適な圧縮応力又は圧縮応力に対する最適なワークの温度の条件を得ると共に、所望する肥大部の肥大部直径Ｄに達するまでの最適な軸肥大加工回転回数Ｎを、
【数１】
（ｌ：肥大部のワーク軸方向における幅，ｌ０：ワークの初期掴み幅，ε０：特定の肥大率に対する軸圧縮ひずみ，Ｎθ：設定曲げ角度に達するまでの回転数）の式に実測値を当てはめて得られるｎ（ｎ：ワーク材の材料定数）及びＮ０（Ｎ０：回転時定数）を、
【数２】
（Ｄ０：ワークの素材直径）の式に代入すると共に、前記肥大部直径Ｄを代入して、軸肥大加工回転回数Ｎの最適な条件を算出し、さらに、ワークの肥大成形させる部分での体積不変の原則から得られる
【数３】
の式からワークの初期掴み幅ｌ０を算出し、少なくともそれらの最適な軸肥大加工条件をもって軸肥大加工をワークに施すようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明おけるワークの加熱を伴う軸肥大加工方法によれば、σｃ／σｙの値を任意に定めることで、ワークのある温度における軸肥大加工時の最適な圧縮応力を得ることができ、また、σｃ／σｙの値と圧縮応力を任意に定めることで、該圧縮応力における軸肥大加工時の最適なワークの温度を得ることができる。また、先述の数１及び数２の式から所望する肥大部の肥大部直径Ｄに達するまでの最適な軸肥大加工回転回数Ｎを算出することができる。したがって、ワークを加熱することによって流動する軸肥大加工条件である、圧縮応力とワークの温度と軸肥大加工回転回数の最適条件を得ることができる。さらに、先述の数３の式から初期掴み間隔ｌ０を得ることができる。すなわち、この軸肥大加工方法は、所望する肥大部をワークに成形するに当り、少なくともそれらの最適な軸肥大加工条件をもって軸肥大加工をワークに施すようにしている。これによると、ワークへの無駄な加熱やワークに作用させる無駄な圧縮応力をなくすことができると共に、無駄な軸肥大加工時間をかけることがないようにでき、ワークに所望する肥大部を効率良く成形することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
所定間隔離間した一対の保持部にて軸材であるワークを保持し、少なくともその保持部間のワークに圧縮圧力と曲げ及び該ワークの軸心回りの回転を付加し、曲げによりワークの曲げ内側に凸部を生じさせ、この凸部を回転によってワークの全周に累積させる。そして、ワークの曲げ戻しを行い、圧縮圧力と回転の付加を停止させることで、ワークの任意の位置に所望の肥大部を成形させる。この軸肥大加工方法を行うにあたり、ワークを加熱するようにする。また、軸肥大加工回転回数Ｎの最適な条件を算出し、さらに、ワークの初期掴み幅ｌ０を算出し、少なくともそれらの最適な軸肥大加工条件をもって軸肥大加工をワークに施すようにする。
【００１１】
この軸肥大加工方法によると、ワークへの無駄な加熱やワークに作用させる無駄な圧縮応力をなくすことができると共に、無駄な軸肥大加工時間をかけることがないようにでき、ワークに所望する肥大部を効率良く成形することができる。
【実施例１】
【００１２】
本発明に係る軸肥大加工方法を図面に基づいて説明する。図１は軸肥大加工方法の手順を示す説明図である。図２は図１の（ａ）におけるワークと保持部の中心軸横軸断面をモデル化した説明図である。図３はワーク表面の軸方向における温度分布を示す説明図である。図４は加熱時間とワークの最大表面温度の関係を示す説明図である。図５は軸肥大加工中における保持部の最大表面温度の変化を示す説明図である。図６は軸肥大加工中におけるワークの最大表面温度の変化を示す説明図である。図７は加熱時間とワークの肥大率の関係を示す説明図である。図８は加熱時間とワークの肥大率Ｄ２０／Ｄ０の関係を示す説明図である。図９はき裂が発生したワークを示す説明図である。図１０は各加熱条件における軸肥大加工中のワークの最大表面温度の変化と肥大率の関係を示す説明図である。図１１は各加熱条件における軸肥大加工後のワークの様子を示す説明図である。図１２はワークの最大表面温度ＴＳと回転時定数Ｎ０との関係を示す説明図である。図１３はワークの降伏応力（σｃ／σｙ）と回転時定数Ｎ０の関係を示す説明図である。図１４はワークの軸肥大加工中の温度変化を示す説明図である。図１５は加熱時間ｔｈｅａｔ＝４０ｓｅｃ加熱のワークの軸肥大加工開始時のＦＥＭ連成解析結果を示す説明図である。図１６は加熱時間ｔｈｅａｔ＝４０ｓｅｃ加熱のワークの軸肥大加工終了時のＦＥＭ連成解析結果を示す説明図である。図１７はワークの温度とワーク表面からの軸方向への深さの関係を示す説明図である。図１８及び図１９は別の軸肥大加工方法の手順を示す説明図である。
【００１３】
まず、軸材（ワークＷ）からの保持部への放熱冷却を伴うような高温条件下でのワークＷの軸肥大変形挙動及び変形機構を明らかにすると共に、ワークＷの加工性に及ぼす軸肥大加工過程での青熱脆性の影響を明らかにするために、次のようにした。
【００１４】
まず、ワークＷを加熱するための加熱装置１として、高周波誘導加熱装置を用いる。詳述すると、この高周波誘導加熱装置は、複数巻きのコイルの中に導体である被加熱材（ワークＷ）を入れ、このコイルに交番電流（交流）を流すと、コイルに流れる電流により磁界が発生し、誘導損失（電気抵抗によるエネルギー損失）を生じて熱が発生（ヒステリシス損）して、被加熱材自体を発熱させる。また、その交番電流によって変化する磁界の中に被加熱材を置くと、該被加熱材に電磁誘導により渦電流が生じ、ジュール熱を発生して電磁エネルギーの熱損失（渦電流損）が起き、被加熱材の表面を発熱させる。すなわち、この装置は、ヒステリシス損と渦電流損の二つの加熱原理を活用したもので、局部的に短時間で加熱することができるものである。なお、ここでは、コイルとして円弧型コイルを用いることとする。
次に、ワークＷに軸肥大加工を施すための軸肥大加工装置は、ワークＷを保持する一対の保持部２，２を備えている。この保持部２，２は、ワークＷを保持した状態で少なくとも一方の保持部２が他方の保持部２に接近及び離間可能に構成されており、両保持部２，２にて保持したワークＷに圧縮圧力を作用させることができるよう構成されている。さらに、両保持部２，２は保持したワークＷを軸心回りに回転可能に構成されている。また、少なくとも一方の保持部２は他方の保持部２の軸心と交差するように偏倚可能に構成されており、両保持部２，２にて保持したワークＷに曲げを作用させることができるよう構成されている（図１の（ａ）及び（ｃ）参照）。
【００１５】
そして、加熱方法としては、ワークＷを保持部２，２にて保持させて回転させながら、ワークＷの保持部２，２間を前記加熱装置１にて加熱した（図１の（ａ）及び（ｂ）参照）。なお、このとき、加熱装置１の電圧を調整して、投入電力Ｐを一定条件（電力：２．８ｋＷ、電圧：４２０Ｖ、周波数：２１．７ｋＨｚ）とし、ワークＷの加熱時間（ｔｈｅａｔ＝２０ｓｅｃ〜１２０ｓｅｃ）の調整により、軸肥大加工開始時のワークＷの温度を調整した。
また、ワークＷの加熱後に軸肥大加工する手順としては、ワークＷを回転させながら、ワークＷの加熱後に円弧型コイルを保持部２，２間から外し、その後、曲げ角度θまでワークＷに曲げを付加し、次いで圧縮圧力を付加した（図１の(ａ)から（ｃ）参照）。これら、回転、圧縮圧力、曲げがワークＷに作用すると、ワークＷの曲げの内側に位置する箇所に凸部が成形される。そして、ワークＷを回転させることによって、該凸部をワークＷの全周に渡って累積させ、肥大部を成形させる（図１の（ｄ）参照）。然る後、所定の軸肥大加工回転回数に達すると、曲げ戻しを行い、ワークＷを真直化させる（図１の（ｅ）参照）。そして、ワークＷを真直化した後に、圧縮圧力と回転を停止させ、ワークＷを保持部２，２から取り出す。
さらに、ワークＷの温度測定としては、赤外線温度計を用いて、ワークＷの加熱直後から軸肥大加工終了までの表面温度を実測した。
【００１６】
なお、ワークＷには直径Ｄ０＝３２ｍｍの構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃの丸棒鋼材を使用し、全長１５５ｍｍとした。また、軸肥大加工条件としては、圧縮応力σｃ＝０．９７×σｙ２５（σｙ２５：Ｓ４５Ｃ材の室温（２５℃）における降伏応力）とし、曲げ角度θ＝３°、回転速度Ｖ＝４０ｒｐｍ、軸肥大加工回転回数Ｎ＝２０回転、初期掴み幅ｌ０＝５５ｍｍとした。なお、この軸肥大加工条件は、常温での軸肥大加工の場合との比較により、軸肥大変形挙動や肥大率に及ぼす温度の影響を明らかとするために、当該ワークＷに常温にて軸肥大加工を施す場合の条件と同一条件とした。また、当該ワークＷの常温での軸肥大加工による肥大率Ｄ２０／Ｄ０＝１．３５である。
また、加熱装置１にて加熱されたワークＷの表面及び内部の温度分布とその変化を把握するために、汎用ソフトによるＦＥＭ解析を行った。さらに、図１の（ａ）におけるワークＷと両保持部２，２の中心軸横軸断面を図２に示すようにモデル化して、軸肥大加工中の温度変化も考慮して、軸肥大変形挙動も解析できるように２次元平面ひずみ問題として連成解析を行った。なお、両保持部２，２は単純化のために剛体として解析した。また、この解析における熱的及び機械的付加の入力として、実際の軸肥大加工条件に合わせて、ワークＷの加熱部分の表層部に熱流束分布を与えて加熱源とし、所定の時間だけ加熱した後に加熱源を外し、偏倚させる保持部２に振り子運動させながら、他方の保持部２の端部より圧縮圧力を与えた。また、前記加熱源としての熱流束は、前記加熱装置１によるワークＷの加熱直後に実測した温度分布に解析結果が一致するようにワークＷ表面部分に熱流束分布を与えた。なお、このとき、ワークＷからの前記保持部２，２への放熱は熱伝導による自然放熱を考慮し、他の表面からの放熱は大気への自然放射冷却を考慮した。また、ワークＷの降伏応力σｙ、ヤング率Ｅ、熱膨張係数α、比熱Ｃ及び熱伝導率λの温度依存性としては実測値をもとに数式化して用いた。
【００１７】
続いて、上記した条件において、ワークＷを加熱し、然る後、ワークＷに軸肥大加工を施し、その後、上記した解析条件で解析したことに基づいて、ワークＷからの保持部２，２への放熱冷却を伴うような高温条件下でのワークＷの軸肥大変形挙動及び変形機構について検証すると共に、ワークＷの加工性に及ぼす軸肥大加工過程での青熱脆性の影響について検証した。
【００１８】
まず、図３から図６を用いて、軸肥大加工中におけるワークＷの温度変化について説明する。
図３は各加熱条件における加熱直後のワークＷ表面における軸方向の温度分布を示している。これによると、最大温度レベルにあるワークＷ表面の領域は加熱時間の増大と共に増大することが分かる。
次に、図４は加熱時間の増大に伴うワークＷの表面最大温度における加熱直後温度Ｔｈと軸肥大加工開始時の温度ＴＳ及び軸肥大加工終了時の温度Ｔｆの各温度変化を示している。これによると、ワークＷの加熱時間ｔｈｅａｔ＝６０ｓｅｃ以上となると、ワークＷの表面最大温度の上昇は次第に飽和していくことが分かる。また、ワークＷの加熱時間ｔｈｅａｔ＝６０ｓｅｃ以上となると、加熱直後から軸肥大加工開始までの間に、ワークＷの最大表面温度が１００Ｋから２００Ｋ程度の温度低下を示す傾向がある。さらに、軸肥大加工開始時と軸肥大加工終了時のワークＷの表面最大温度が、加熱時間ｔｈｅａｔ＝５０ｓｅｃ以上で逆転する傾向があることが分かる。
また、図５は一方の保持部２における軸肥大加工開始から終了までの表面最大温度の変化を示しており、図６はワークＷの表面最大温度の軸肥大加工開始から終了までの表面最大温度の変化を示している。これによると、該保持部２の温度は加熱時間ｔｈｅａｔ＝１００ｓｅｃ以上で、ワークＷの温度は加熱時間ｔｈｅａｔ＝４０ｓｅｃ，５０ｓｅｃで、青熱脆性温度域に入ることが分かる。
【００１９】
続いて、図７から図１１を用いて、ワークＷの軸肥大変形挙動に及ぼす加熱温度条件の影響について説明する。
まず、図７はワークＷの加熱時間をパラメータとして、ワークＷの軸肥大加工回転回数Ｎの増大に伴うワークＷの肥大率Ｄ／Ｄ０の挙動を示している。これによると、加熱時間ｔｈｅａｔ＞５０ｓｅｃでの軸肥大変形挙動は明瞭に加熱時間の影響を受け、ワークＷの肥大部の変形速度は加熱時間の増大と共に急速な増大を示すことが分かる。また、ワークＷの軸肥大加工回転回数Ｎ＝２０までの肥大率Ｄ２０／Ｄ０に着目すると、加熱時間の増大に伴う肥大率Ｄ２０／Ｄ０の変化は図８に示すようになる。これによると、加熱時間ｔｈｅａｔが３０ｓｅｃ＜ｔｈｅａｔ＜５０ｓｅｃの加熱時間域では、ワークＷの肥大率Ｄ２０／Ｄ０はワークＷを加熱しない場合よりも低いことが分かる。このように、ワークＷの肥大率が低下することは青熱脆性の発生に起因すると推察される。また、加熱時間ｔｈｅａｔ＞５０ｓｅｃとなると、軸肥大加工に対する加熱時間の効果が明瞭に現れ、加熱時間が増大するほど、その効果が一層向上することが分かる。しかしながら、加熱時間ｔｈｅａｔ＝１００ｓｅｃでは、破断には至らないが図９に示すように、軸肥大加工終了直前にワークＷのフィレット部にき裂が発生した。このき裂の発生は、軸肥大加工最終段階時にワークＷの前記フィレット部が青熱脆性温度域にあることに起因している。しかし、加熱時間ｔｈｅａｔ＝１１０ｓｅｃ程度以上の予加熱時間では、ワークＷにき裂損傷が発生することはなく、軸肥大加工にとってワークＷの加熱が極めて有効となることが分かる。
また、図１０は各加熱条件での軸肥大加工中におけるワークＷの最大表面温度（加熱直後）Ｔｈ，最大表面温度（加工開始時）ＴＳ，最大表面温度（加工終了後）Ｔｆの各温度変化とワークＷの肥大率Ｄ２０／Ｄ０との関係を示している。これによると、軸肥大加工中でのワークＷの最大表面温度の変化は軸肥大加工開始時の温度曲線と軸肥大加工終了時の温度曲線との間にあり、この軸肥大加工中でのワークＷの最大表面温度の温度変化がワークＷの肥大率Ｄ２０／Ｄ０に影響を及ぼしていることが分かる。さらに、軸肥大加工開始時のワークＷの表面最大温度ＴＳが約７５８Ｋ以下では、図１１の（ａ）及び（ｂ）にも示すように、ワークＷの加熱による効果はほとんどなく、むしろ常温での軸肥大加工よりもワークＷの肥大率Ｄ２０／Ｄ０は低下している。また、ワークＷの表面最大温度ＴＳが約８５６Ｋ以上では、図１１の（ｃ）にも示すように、常温での軸肥大加工では期待できない二倍以上の肥大率Ｄ２０／Ｄ０が得られ、ワークＷの加熱による非常に大きな効果が明瞭に現れる。
【００２０】
以上のことから、ワークＷの軸肥大変形挙動について次のように説明する。
軸肥大変形挙動は、ワークＷの軸方向の平均的な圧縮塑性ひずみが曲げによる交番応力で進行するのを考慮して定式化をはかると、軸圧縮変形挙動として数４（数１）の式で表される。
【００２１】
【数４】
【００２２】
ここで、ｌは肥大部の軸方向における幅であり、ｌ０はワークの初期掴み幅、ε０は特定の肥大率に対する軸圧縮ひずみであり、Ｎθは設定曲げ角度に達するまでの回転数である。
一方、ワークＷの被圧縮部（肥大部）での体積不変を考慮して、数５（数３）の式を数４（数１）の式に代入すると数６（数２）の式が得られ、図７中に示す破線のように軸肥大変形挙動の推定式として表すことができる。
【００２３】
【数５】
【００２４】
【数６】
【００２５】
ここで、Ｎ０は回転時定数であり、塑性変形抵抗と密接な関係がある。また、上記してきた軸肥大加工での軸圧縮変形挙動の実測値に対して、数４（数１）の式をベストフィットさせて得られるＮ０およびｎ（ｎ：ワーク素材の材料定数）の値は、数６（数２）の式にも適用できる。
この軸肥大加工における加工速度∂（Ｄ／Ｄ０）／∂Ｎは回転時定数Ｎ０の値が小さくなる条件ほど速くなる。ここで、これらの軸肥大変形特性を加工開始時のワークＷの最大表面温度ＴＳと回転時定数Ｎ０の関係で表すと、図１２に示すような傾向がある。すなわち、最大表面温度ＴＳが高くなるほど、回転時定数Ｎ０は小さくなるが、ワークＷの再結晶温度Ｔｒ以上になると急速に回転時定数Ｎ０が低下する傾向がある。また、最大表面温度ＴＳ＝５２３Ｋ〜６７３Ｋの範囲を除いて考えると、最大表面温度ＴＳと回転時定数Ｎ０の関係の傾向は、図１２中の二本の実線で示されるように数７の式で定式化できる。
【００２６】
【数７】
【００２７】
ここで、ＮＴｒは再結晶温度Ｔｒにおける回転時定数Ｎ０の値であり、Ｑは軸肥大変形機構の活性化エネルギー、ｋはボルツマン定数である。
一方、軸圧縮荷重一定での各加熱条件における軸肥大加工の圧縮応力σｃを、各ワークＷの最大表面温度ＴＳでの降伏応力σｙで基準化した値σｃ／σｙにより、回転時定数Ｎ０に及ぼす圧縮応力σｃの影響を検討すると、図１３に示すような傾向を示す。すなわち、この影響もまた、最大表面温度ＴＳ＝４７３Ｋ〜６２３Ｋの範囲を除いて考えると、再結晶温度Ｔｒ域を境に変化する傾向がある。この傾向は軸肥大加工に及ぼすワークＷの加熱による温度の効果が降伏強度の温度依存性による低下に支配されていることを示唆している。
【００２８】
次に、ワークＷの軸肥大変形の温度依存性に及ぼす青熱脆性の影響について説明する。
まず、ワークＷの軸肥大加工開始時の最大表面温度ＴＳ＝４７３Ｋ〜５２３Ｋとなる加熱時間ｔｈｅａｔ＝３０ｓｅｃ，４０ｓｅｃ及び５０ｓｅｃでの軸肥大加工においては、最大表面温度ＴＳが図１４に示すようにほとんど青熱脆性温度域内で軸肥大変形が進行するため、肥大率Ｄ２０／Ｄ０＝１．３５以上は向上しない。また、この温度範囲での降伏応力の温度依存性としては青熱脆性によりワークＷが強度上昇するので、軸肥大加工に対して、むしろ、ワークＷを加熱することが逆効果を示す傾向にあったと推察される。このような青熱脆性の影響には、軸肥大加工過程におけるワークＷの表面温度の変化のみならず、表面から軸心方向への温度分布および軸方向温度分布の変化も影響する。
図１５及び図１６は加熱時間ｔｈｅａｔ＝４０ｓｅｃ加熱のワークＷの軸肥大加工開始時及び終了時の温度分布をＦＥＭにより連成解析して推定したものである。これによると、表面から内部への温度分布はワークＷの中央位置では略々均一であり、端部へ僅かに外れる領域でほんの一部分布が生じる程度であることが分かる。しかも、表面から任意の深さ位置における軸方向応力分布としては表面での軸方向分布と略々類似の分布を示している。また、図１７に示すように、軸肥大加工の進行に伴うワークＷの深さ方向温度分布も表面と中心とに温度差がほとんど生じることはなく、一様に変化する傾向がある。
したがって、軸肥大加工中でのこれらの温度分布の変化から、ワークＷの最大表面温度ＴＳ＝４７３Ｋ〜６２３Ｋの範囲の加熱は青熱脆性の影響により軸肥大加工の加工性の向上に対して逆効果となることが十分に推察できる。
【００２９】
続いて、ワークＷの軸肥大加工率向上に対するワークＷの加熱効果における青熱脆性の影響と効果的な加熱条件について説明する。
加熱時間ｔｈｅａｔ＝１００ｓｅｃで軸肥大加工開始時のワークＷの表面最大温度ＴＳ＝８２３ＫとなるワークＷに軸肥大加工を施した場合のように、肥大率Ｄ２０／Ｄ０＝２まで向上する加熱条件下でも、図９に見られるようにき裂が発生する。このき裂発生も青熱脆性が影響しており、軸肥大加工中での温度低下によってワークＷのフィレット部の温度が青熱脆性温度域に入るため、ワークＷの前記フィレット部の材質硬化が疲労き裂を誘起したと推察される。ところが、加熱時間ｔｈｅａｔ＝１１０ｓｅｃ、１２０ｓｅｃで表面最大温度ＴＳ＞８５３ＫとなるワークＷの軸肥大加工の場合では、き裂の発生は認められなかった。これは該ワークＷのフィレット部の温度が青熱脆性温度域まで低下しないためである。
したがって、軸肥大加工における効果的な加熱条件としては、常温での軸肥大加工で期待できない二倍程度以上の肥大率が得られ、ワークＷの温度低下に伴う青熱脆性の影響による材質硬化に起因するき裂発生を回避できることが不可欠である。このことを考慮すると、ワークＷの表面最大温度ＴＳ＞８５３Ｋとなる加熱時間ｔｈｅａｔ＞１１０ｓｅｃの加熱条件が軸肥大加工率の向上にとって最も効果的であると言える。
【００３０】
以上の検証から次のことが言える。
まず、ワークＷの軸肥大加工開始時の表面最大温度ＴＳがＴＳ＝６７３Ｋ以下の加熱条件では、ワークＷの肥大率に対してほとんど効果がないというより、むしろ、悪影響を及ぼす。また、表面最大温度ＴＳがＴＳ＝８２３Ｋの加熱条件では、約二倍の肥大率を得られるが、軸肥大加工中のワークＷの温度低下により青熱脆性に起因する疲労き裂が発生する。
また、表面最大温度ＴＳがＴＳ＝８５３Ｋ以上の加熱条件では、ワークＷを加熱することがワークＷの肥大率の向上に対して極めて有効であり、青熱脆性のような有害な影響が発生することなく肥大率Ｄ２０／Ｄ０が二倍以上に増大する。
さらに、軸肥大加工に対するワークＷの加熱の効果を温度依存性によるσｃ／σｙの増大効果と見做して評価すると、軸肥大変形挙動は室温（常温）の軸肥大加工の場合と同様に、ワークＷの加熱を伴う軸肥大加工でもよく推定できる。
【００３１】
続いて、上述してきたことに基いて、本発明に係る軸肥大加工方法を説明する。なお、本実施例では、軸肥大加工をワークＷに施す前にワークＷを加熱する加熱工程を行う場合について説明する。
まず、軸肥大加工をワークＷに施す前にワークＷを加熱することは、上述したように、ワークＷの軸肥大加工率の向上に対して有効であることは明らかであり、ワークＷを加熱して温度を高くすれば、ワークＷの変形抵抗を小さくすることができ、軸肥大加工を施しやすくできる。すなわち、本実施例におけるワークＷを加熱する加熱工程は、軸肥大加工を施すワークＷを加熱することで、ワークＷの変形抵抗を確実に低下させ、ワークＷの軸肥大加工性を確実に向上させるための工程である。したがって、ワークＷを加熱できるものであれば、加熱工程に用いる加熱装置１は、上記した高周波誘導加熱装置のみならず、種々の燃料を使用し、その燃焼により生じる熱によりワークＷを加熱する燃焼加熱装置であっても何ら問題はなく、これらのような加熱装置を実施例に合わせて選択して、最適なものを使用すれば良い。
【００３２】
続いて、加熱工程において、ワークＷを加熱する条件について説明する。
上述したように、加熱装置１にてワークＷを加熱した後に該ワークＷに軸肥大加工を施しても、その肥大率に対してほとんど効果がない、あるいは、青熱脆性の影響によりむしろ悪影響を及ぼす温度域があることは明らかである（図１０参照）。この温度域は、加熱したワークＷの軸肥大開始時の最大表面温度ＴＳで見た場合ではＴＳ＝６７３Ｋ以下である。
また、前記温度域（ＴＳ＝６７３Ｋ以下）を越えるワークＷの表面最大温度ＴＳとすると、上述したように、ワークＷを加熱することがワークＷの肥大率の向上に対して有効に作用する（図１０参照）。したがって、この温度域（ＴＳ＞６７３Ｋ）では、ワークＷの変形抵抗を確実に低下させることができ、従来の常温での軸肥大加工の圧縮圧力以下の圧縮圧力にてワークＷに軸肥大加工を施せる。さらに、容易にワークＷに成形する肥大部の直径を大きくできると共にワークＷの軸方向に幅広な肥大部を成形することも可能となる。
さらに、表面最大温度ＴＳがＴＳ＝８５３Ｋ以上の加熱では、ワークＷを加熱することがワークＷの肥大率に対して極めて有効に作用し、青熱脆性のような有害な影響を受けることなく、ワークＷの肥大率を二倍以上とすることができる（図１０参照）。また、この表面最大温度ＴＳ＝８５３Ｋ以上ではワークＷの再結晶温度Ｔｒの温度近傍以上となることから、結晶粒微細化強化の作用による組織の改質及び機械的特性の改善がなされると共に強靭化が図れることから、ワークＷの塑性変形能（伸び）が向上される特徴がある。したがって、この温度域以上では、従来の常温での軸肥大加工の圧縮圧力以下の圧縮圧力でワークＷに軸肥大加工を施せるだけでなく、一層容易に肥大部の直径を大きくできると共にワークＷの軸方向に幅広な肥大部を容易に成形可能となり、さらに、ワークＷの改質及び機械的特性の改善もできる。
しかしながら、前記温度域（ＴＳ＝６７３Ｋ以下）を越えるワークＷの最大表面温度ＴＳがＴＳ＝８２３Ｋであっても、上述したように、軸肥大加工中のワークＷの放熱により青熱脆性温度域までワークＷの温度低下した部分が青熱脆性の影響により材質硬化し、き裂損傷が発生することがある（図９参照）。
したがって、加熱工程にてワークＷを加熱する条件は、軸肥大加工開始時にワークＷの全体又は少なくとも肥大成形したい部分の温度が青熱脆性温度域を越える温度（ＴＳ＞６７３Ｋ）とすると共に、軸肥大加工中にワークＷからの放熱により、ワークＷの全体又は少なくとも肥大成形したい部分の温度が青熱脆性温度域まで低下しない温度とすることが望ましい。これによると、ワークＷの変形抵抗を確実に低下させることができると共に、従来の常温での軸肥大加工の圧縮圧力以下の圧縮圧力でワークＷに軸肥大加工を施せ、さらに、ワークＷに青熱脆性の影響による材質硬化に起因するき裂損傷の発生を防ぐことができる。また、このワークＷを加熱する条件は、ワークＷの塑性変形能の向上も図れ、軸肥大加工におけるワークＷの肥大率の向上に対して有効に作用するので、肥大率二倍以上の大きな肥大部を容易に成形可能となると共に、ワークＷの軸方向に幅広な肥大部を容易に成形することが可能となる。
【００３３】
次に、上述したような加熱装置１及び軸肥大加工装置を使用したワークＷの軸肥大加工手順を図１に基づいて説明する。
まず、直線状の軸材であるワークＷの所望部分又は全体を加熱した後、このワークＷを一定間隔離間させた一対の保持部２，２で保持させる。あるいは、ワークＷを一定間隔離間させた一対の保持部２，２に保持させた状態で、その保持部２，２間のワークＷ又はその保持部２，２間のワークＷの所望部分を加熱させる（（ａ）及び（ｂ）参照）。なお、このときの保持部２，２の間隔は、最大でワークＷに曲げと圧縮圧力を作用させたときに、ワークＷが座屈しない程度までの間隔とする。また、この間隔は初期掴み幅ｌ０である（（ａ）参照）。また、ワークＷの加熱する条件は、上述したように、軸肥大加工開始時に少なくともワークＷの肥大成形したい部分の温度が青熱脆性温度域を越える温度とすると共に、軸肥大加工中にワークＷからの放熱により、ワークＷのその部分の温度が青熱脆性温度域まで低下しない温度とする。
そして、ワークＷを保持部２，２にて保持させた後、両保持部２，２間のワークＷに回転と圧縮圧力と曲げを作用させる（（ｃ）参照）。このとき、圧縮圧力は少なくとも一方の保持部２を他方の保持部２に接近させることで作用させている。また、圧縮圧力はワークＷの曲げ外側に生じる引張力を相殺して引張力がワークＷに作用しない程度、又は、圧縮圧力がワークＷに作用する程度とする。このとき、加熱工程にてワークＷを加熱していることで、上述したように、ワークＷの変形抵抗は確実に低下していることから、作用させる圧縮圧力は小さなもので良い。また、この圧縮圧力により、ワークＷの曲げ外側に生じる引張力を相殺して、ワークＷが疲労することを防止している。さらに、曲げ角度については数度程度で良い。この曲げ角度を大きくすると、ワークＷは屈曲しやすくなるため加工性が悪くなる。また、回転速度については毎分数回転から毎分数百回転程度の回転で良い。
これら、回転、圧縮圧力、曲げがワークＷに作用すると、ワークＷの曲げの内側に位置する箇所に凸部が成形される。そして、ワークＷを回転させることによって、該凸部をワークＷの全周に渡って累積させ、所望の肥大部を成形させる（（ｄ）参照）。
然る後、所望の肥大部が成形されると、曲げ戻しを行い、ワークＷを真直化させる（（ｅ）参照）。そして、ワークＷを真直化した後に、圧縮圧力と回転を停止させ、ワークＷを保持部２，２から取り出す。
このようにすると、保持部２，２から取り出した素材径Ｄ０のワークＷの中間部に、幅ｌ（ｌ０＞ｌ）の肥大部直径Ｄ（Ｄ＞Ｄ０）の肥大部を成形できる（（ｆ）参照）。
【００３４】
このようにワークＷに軸肥大加工を施す前に、少なくともワークＷの肥大成形をしたい部分の温度が軸肥大加工中に青熱脆性温度域以下の温度にならない温度以上となるように加熱工程にてワークＷを加熱して、ワークＷの変形抵抗を低下させ、その後に軸肥大加工を該ワークＷに施す。したがって、ワークＷの変形抵抗が確実に低下しているので、従来の常温での軸肥大加工に比べて作用させる圧縮圧力を確実に小さなものとでき、その小さな圧縮圧力にて軸肥大加工をワークＷに施すことができ、所望の肥大部を成形することができる。また、その状態で軸肥大加工をワークＷに施すようにしたことで、ワークＷの温度低下により、ワークＷに青熱脆性の影響による材質硬化に起因するき裂損傷が発生することを防ぐことができる。したがって、不良品の発生を防ぐことができる。また、少なくともワークＷの肥大成形させる部分を青熱脆性温度域を越える温度に加熱することは、ワークＷの塑性変形能を向上させることもできるので、従来の常温の軸肥大加工では期待できない、肥大率が二倍以上の肥大部を成形することも可能となる。さらに、ワークＷに作用させる圧縮圧力を小さくできることから、保持部２，２のワークＷの保持力も小さくなり、保持部２，２の構成の簡略化を図ることも可能となる。すなわち、軸肥大加工装置の構成の簡略化を図れるようになる。
【００３５】
なお、ワークＷに軸肥大加工を施すための軸肥大加工条件は、上記したような条件（圧縮圧力、曲げ角度、掴み幅等）を満たしておれば良いが、所望する肥大部形状（肥大部直径及び肥大部幅）により、軸肥大加工条件（ここでは、ワークＷを加熱することによって流動する条件である、圧縮応力、ワークＷの温度及び軸肥大加工回転回数）を設定することが望ましい。このとき、上述したように、軸肥大加工に対するワークＷの加熱効果を温度依存性によるσｃ／σｙの増大効果と見做して評価すると、軸肥大変形挙動は常温での軸肥大加工の場合と同様に、ワークＷの加熱を伴う軸肥大加工でもよく推定できる。このことにより、σｃ／σｙの値を任意に定めることで、ある温度におけるワークＷの軸肥大加工時の最適な圧縮応力を得ることができる。また、σｃ／σｙの値と圧縮応力を任意に定めることで、該圧縮応力におけるワークＷを加熱して昇温させたときの最適な最低温度を得ることができる。さらに、数４（数１）の式に実測値を当てはめて得られた回転時定数Ｎ０とワーク素材の材料定数ｎと、所望する肥大部の肥大部直径Ｄを数６（数２）の式に代入して算出することで、肥大部直径Ｄに達するまでの最適な軸肥大加工回転回数Ｎを算出することができる。すなわち、ワークＷの加熱することによって流動する軸肥大軸肥大加工条件である圧縮応力、ワークＷの温度及び軸肥大加工回転回数の最適条件を得ることができる。したがって、この最適条件を用いて軸肥大加工をワークＷに施すことによって、ワークＷへの無駄な加熱やワークＷに作用させる無駄な圧縮圧力をなくすことができると共に、無駄な軸肥大加工時間をかけることがないようにでき、ワークＷに所望する肥大部を効率良く成形することが可能となる。なお、上記してきた軸肥大加工方法（図１参照）では、所望の肥大部を成形するにあたり、ワークＷの初期掴み幅ｌ０が影響することとなるので、初期掴み幅ｌ０については、数５（数３）の式から算出すれば良い。
【００３６】
また、本実施例においては、ワークＷに圧縮圧力を作用させるために、ワークＷを保持した保持部２，２の少なくとも一方を他方の保持部２に接近させる軸肥大加工装置の構成としている。しかしながら、ワークＷを一対の保持部２，２に保持させた状態で、一方の保持部２側から他方の保持部２側へ油圧シリンダ等の伸縮手段で該ワークＷを押し出すようにして、ワークＷに圧縮圧力を作用させる軸肥大加工装置の構成としても良い（図１８及び図１９参照）。このように構成した軸肥大加工装置を用いた軸肥大加工方法によると、素材径Ｄ０のワークＷの中間部に、肥大部直径Ｄ（Ｄ＞Ｄ０）で初期掴み間隔ｌ０と肥大部幅ｌが同じ幅（ｌ０＝ｌ）の肥大部（図１８の（ｈ）参照）、又は、肥大部直径Ｄ（Ｄ＞Ｄ０）で初期掴み幅ｌ０より肥大部幅ｌが大きな幅（ｌ＞ｌ０）の肥大部（図１９の（ｈ）参照）を成形することも可能となる。したがって、この軸肥大加工方法と上述したワークＷの加熱条件でワークＷを加熱する方法とを組み合わせることで、上述した軸肥大加工方法と同様の作用と効果を得ることができると共に、ワークＷに成形する肥大部の直径をより一層大きなものとすることが容易にでき、さらに、肥大部の幅がより一層幅広なものとすることが容易にできるようになる。
さらに、本実施例においては、加熱装置１にてワークＷを加熱する加熱工程を、ワークＷに軸肥大加工を施す前に行うようにしているが、ワークＷの軸肥大加工中も加熱装置１にてワークＷを加熱するようにしても良い。この方法のようにしても、上述した軸肥大加工方法と同様の作用と効果を得ることができる。さらに、この方法によれば、ワークＷの温度管理が行いやすいだけでなく、ワークＷのきめ細かな温度調節を行え、さらには、ワークＷからの放熱の影響によるワークＷの変形抵抗及び塑性変形能の変化を略々無くすあるいは無視できるようにすることが可能となる。したがって、軸肥大加工により成形する肥大部の形状（肥大部直径及び肥大部幅等）をよりコントロールしやすくなり、所望の肥大部を一層成形しやすくなる。また、軸肥大加工前でのみワークＷを加熱する場合と比べて、この軸肥大加工方法は、ワークＷの放熱による温度低下を考慮する必要がないことから、加熱した際の少なくともワークＷの肥大成形させたい部分の温度を青熱脆性温度域を越える温度でも低く抑えることが可能となる。すなわち、ワークＷの肥大成形したい部分の温度が青熱脆性温度域を越える温度からワークＷの最大表面温度ＴＳ＝６７３Ｋの間の温度域においても、青熱脆性の影響を受けることなくワークＷに軸肥大加工を施すことが可能となる。したがって、所望する肥大部の軸肥大加工を、肥大部形状に合わせて、より最適な条件にて効率良く行うことが可能となる。さらに、上述した軸肥大加工方法に比べて、極めて大きな肥大部を成形可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】軸肥大加工方法の手順を示す説明図。 （ａ）ワークの加熱及びワークを保持部に保持した様子を示す説明図。 （ｂ）（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図。 （ｃ）ワークに圧縮圧力、回転、曲げを付加した様子を示す説明図。 （ｄ）肥大部を成形する様子を示す説明図。 （ｅ）ワークを真直化する様子を示す説明図。 （ｆ）当該方法で肥大部が成形されたワークの様子を示す説明図。
【図２】図１中の（ａ）におけるワークと保持部の中心軸横軸断面をモデル化した説明図。
【図３】ワーク表面の軸方向における温度分布を示す説明図。
【図４】加熱時間とワークの最大表面温度の関係を示す説明図。
【図５】軸肥大加工中における保持部の最大表面温度の変化を示す説明図。
【図６】軸肥大加工中におけるワークの最大表面温度の変化を示す説明図。
【図７】加熱時間とワークの肥大率の関係を示す説明図。
【図８】加熱時間とワークの肥大率Ｄ２０／Ｄ０の関係を示す説明図。
【図９】き裂が発生したワークを示す説明図。
【図１０】各加熱条件における軸肥大加工中のワークの最大表面温度の変化と肥大率の関係を示す説明図。
【図１１】各加熱条件における軸肥大加工後のワークの様子を示す説明図。 （ａ）未加熱の場合のワークの様子を示す説明図。 （ｂ）加熱時間ｔｈｅａｔ＝４０ｓｅｃの場合のワークの様子を示す説明図。 （ｃ）加熱時間ｔｈｅａｔ＝１２０ｓｅｃの場合のワークの様子を示す説明図。
【図１２】ワークの最大表面温度ＴＳと回転時定数Ｎ０との関係を示す説明図。
【図１３】ワークの降伏応力（σｃ／σｙ）と回転時定数Ｎ０の関係を示す説明図。
【図１４】ワークの軸肥大加工中の温度変化を示す説明図。
【図１５】加熱時間ｔｈｅａｔ＝４０ｓｅｃ加熱のワークの軸肥大加工開始時のＦＥＭ連成解析結果を示す説明図。
【図１６】加熱時間ｔｈｅａｔ＝４０ｓｅｃ加熱のワークの軸肥大加工終了時のＦＥＭ連成解析結果を示す説明図。
【図１７】ワークの温度とワーク表面からの軸方向への深さの関係を示す説明図。
【図１８】別の軸肥大加工方法の手順を示す説明図。 （ａ）ワークの加熱及びワークを保持部に保持した様子を示す説明図。 （ｂ）（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図。 （ｃ）ワークに圧縮圧力、回転、曲げを付加した様子を示す説明図。 （ｄ）保持部間隔を一定に保った状態で肥大部を成形する様子を示す説明図。 （ｅ）保持部間隔を一定に保った状態で肥大部を成形する様子を示す説明図。 （ｆ）保持部間隔を一定に保った状態で肥大部を成形する様子を示す説明図。 （ｇ）ワークを真直化する様子を示す説明図。 （ｈ）当該方法で肥大部が成形されたワークの様子を示す説明図。
【図１９】別の軸肥大加工方法の手順を示す説明図。 （ａ）ワークの加熱及びワークを保持部に保持した様子を示す説明図。 （ｂ）（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図。 （ｃ）ワークに圧縮圧力、回転、曲げを付加した様子を示す説明図。 （ｄ）保持部間隔を広げながら肥大部を成形する様子を示す説明図。 （ｅ）保持部間隔を広げながら肥大部を成形する様子を示す説明図。 （ｆ）保持部間隔を狭めて肥大部の形状を整える様子を示す説明図。 （ｇ）ワークを真直化する様子を示す説明図。 （ｈ）当該方法で肥大部が成形されたワークの様子を示す説明図。
【符号の説明】
【００３８】
１ 加熱装置
２ 保持部
Ｄ 肥大部直径
Ｄ０ ワークの素材直径
ｌ 肥大部のワーク軸方向における幅（肥大部幅）
ｌ０ ワークの初期掴み幅
Ｎ 軸肥大加工回転回数
Ｎ０ 回転時定数
Ｎθ 設定曲げ角度に達するまでの回転数
ｎ ワーク素材の材料定数
Ｗ ワーク
σｃ 圧縮応力
σｙ ワークの各温度における降伏応力
ε０ 特定の肥大率に対する軸圧縮ひずみ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークを加熱することにより流動する軸肥大加工条件である圧縮応力とワークの温度及び軸肥大加工回転回数の最適条件を、σｃ／σｙ（σｃ：圧縮応力、σｙ：ワークの各温度における降伏応力）の値を任意に定めると共に、ワークに作用させたい圧縮応力又は軸肥大加工開始時のワークの温度を定めることで、ワークの温度に対する最適な圧縮応力又は圧縮応力に対する最適なワークの温度の条件を得ると共に、所望する肥大部の肥大部直径Ｄに達するまでの最適な軸肥大加工回転回数Ｎを、
【数１】
（ｌ：肥大部のワーク軸方向における幅，ｌ０：ワークの初期掴み幅，ε０：特定の肥大率に対する軸圧縮ひずみ，Ｎθ：設定曲げ角度に達するまでの回転数）の式に実測値を当てはめて得られるｎ（ｎ：ワーク素材の材料定数）及びＮ０（Ｎ０：回転時定数）を、
【数２】
（Ｄ０：ワークの素材直径）の式に代入すると共に、前記肥大部直径Ｄを代入して、軸肥大加工回転回数Ｎの最適な条件を算出し、さらに、ワークの肥大成形させる部分での体積不変の原則から得られる
【数３】
の式からワークの初期掴み幅ｌ０を算出し、少なくともそれらの最適な軸肥大加工条件をもって軸肥大加工をワークに施すようにしたことを特徴とする軸肥大加工方法。
【請求項１】
ワークを加熱することにより流動する軸肥大加工条件である圧縮応力とワークの温度及び軸肥大加工回転回数の最適条件を、σｃ／σｙ（σｃ：圧縮応力、σｙ：ワークの各温度における降伏応力）の値を任意に定めると共に、ワークに作用させたい圧縮応力又は軸肥大加工開始時のワークの温度を定めることで、ワークの温度に対する最適な圧縮応力又は圧縮応力に対する最適なワークの温度の条件を得ると共に、所望する肥大部の肥大部直径Ｄに達するまでの最適な軸肥大加工回転回数Ｎを、
【数１】
（ｌ：肥大部のワーク軸方向における幅，ｌ０：ワークの初期掴み幅，ε０：特定の肥大率に対する軸圧縮ひずみ，Ｎθ：設定曲げ角度に達するまでの回転数）の式に実測値を当てはめて得られるｎ（ｎ：ワーク素材の材料定数）及びＮ０（Ｎ０：回転時定数）を、
【数２】
（Ｄ０：ワークの素材直径）の式に代入すると共に、前記肥大部直径Ｄを代入して、軸肥大加工回転回数Ｎの最適な条件を算出し、さらに、ワークの肥大成形させる部分での体積不変の原則から得られる
【数３】
の式からワークの初期掴み幅ｌ０を算出し、少なくともそれらの最適な軸肥大加工条件をもって軸肥大加工をワークに施すようにしたことを特徴とする軸肥大加工方法。
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１７】
【図１】
【図２】
【図９】
【図１１】
【図１５】
【図１６】
【図１８】
【図１９】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１７】
【図１】
【図２】
【図９】
【図１１】
【図１５】
【図１６】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１２−１６７５０（Ｐ２０１２−１６７５０Ａ）
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３３２８３（Ｐ２０１１−２３３２８３）
【出願日】平成２３年１０月２４日（２０１１．１０．２４）
【分割の表示】特願２００５−３６７３２２（Ｐ２００５−３６７３２２）の分割
【原出願日】平成１７年１２月２１日（２００５．１２．２１）
【出願人】（３９４００６１２９）株式会社いうら (63)
【出願人】（３９００２９０８９）高周波熱錬株式会社 (288)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２４日（２０１１．１０．２４）
【分割の表示】特願２００５−３６７３２２（Ｐ２００５−３６７３２２）の分割
【原出願日】平成１７年１２月２１日（２００５．１２．２１）
【出願人】（３９４００６１２９）株式会社いうら (63)
【出願人】（３９００２９０８９）高周波熱錬株式会社 (288)
【Ｆターム（参考）】
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